基于实桥测试的大跨径混合梁钢梁-混凝土梁结合段传力机理

于祥坤 赵伟 申港 王先宣 王保群 宋军 董旭

摘要：为研究大跨径混合梁钢梁-混凝土梁结合段的传力性能和纵桥向应力传递路径，以韩庄运河特大桥为工程背景，通过实桥测试与数值模拟相结合的方式，分析主梁钢梁-混凝土梁结合段应力分布与传递规律。对钢板和混凝土进行应变监测，获取其应力分布与传递规律；采用软件ABAQUS建立钢梁-混凝土梁结合段精细化有限元计算模型，对比分析实桥数据与计算模型分析结果。结果表明：在钢梁-混凝土梁结合段应力从承压板传递到混凝土梁的过程中，随距承压板距离的增大，应力逐渐减小，混凝土梁段应力最小；承压板的最大应力出现在预应力锚固处，越接近承压板中心和承压板边缘，应力越小；承压板顶部整体应力在吊装阶段较大，底部应力在张拉阶段较大，现场采集数据与有限元模型应力传递规律一致。

关键词：大跨径混合梁；钢梁-混凝土梁结合段；应力传递；承压板；有限元分析；实桥测试

中图分类号：U441;U448.21+6;TU311文献标志码：A文章编号：1672-0032（2024）02-0060-07

引用格式：于祥坤，赵伟，申港，等.基于实桥测试的大跨径混合梁钢梁-混凝土梁结合段传力机理［J］.山东交通学院学报，2024，32（2）：60-66.

YU Xiangkun， ZHAO Wei， SHEN Gang， et al. Force transmission mechanism of the joint section of long-span hybrid girder steel-concrete beam based on in-situ bridge test［J］.Journal of Shandong Jiaotong University，2024，32（2）：60-66.

0 引言

随桥梁设计理论的发展和施工技术的成熟，混合梁桥在悬索桥、连续刚构桥和连续梁等大跨径桥梁设计中应用越来越广[1-2]。钢梁-混凝土梁混合结构在梁式桥中的应用较少，特大跨径预应力混凝土梁式桥因自身恒载过高，难以进一步提高跨越能力，采用钢梁-混凝土梁混合结构，主跨采用部分钢梁，可有效解决混凝土梁自重过大的问题。混合梁桥钢梁-混凝土梁结合段由2种材料组成，传力过程中必然出现受力差异，研究钢梁-混凝土梁结合段的传力及受力性能是此类桥梁设计的关键[3-4]。

为确保钢梁-混凝土梁结合段施工质量及受力合理，刘德清等[5]采用主梁制造预拱度控制、负误差动态控制主梁预制长度和角度误差、精确定位基准梁和调整环氧树脂胶厚度控制主梁拼装误差、修正变形等施工控制技术，减小混凝土主梁拼装误差；于祥坤[6]研发钢梁-混凝土梁结合段临时固定装置进行空间姿态定位；张玉平等[7]采用软件ABAQUS模拟已浇筑钢梁-混凝土梁结合段吊装工艺，发现起吊荷载对结合段内部混凝土不利，需在钢梁顶板下方加劲后再吊装；田波等[8]对钢梁-混凝土梁结合段的位置、关键构造进行多方案设计，优先采用梁肋全截面连接承压传剪式过渡构造，并通过钢梁-混凝土梁结合段现场静力模型试验、破环模型试验及浇筑试验验证结构合理性和施工的可实施性；施洲等[9]对主梁钢梁-混凝土梁结合段进行局部缩尺静力和疲劳模型试验，并结合有限元分析钢混结合段的应力分布、滑移开裂及疲劳性能，发现最不利工况下，结合段钢构件应力沿横向分布不均且边箱处应力最大，沿纵向在承压板处产生突变，承压板传力作用显著；周凯旋[10]基于钢梁-混凝土梁结合段疲劳试验模型，分析钢顶板与混凝土间的连接方式、端横隔板高度及顶板厚度、承压板厚度对试验模型的影响；唐林俊[11]分别采用Midas civil和Midas FEA NX建立全桥和钢混结合段局部有限元模型，将结合段截面内力施加于局部有限元模型进行静力分析，结果表明结合段处于受压状态；姜兴洪[12]评估钢梁-混凝土梁结合段疲劳性能，根据应力幅等效原则建立局部模型，分析对疲劳性能影响较大因素的合理取值；黄国红等[13]基于中墩截面弯矩等效和边支座支反力控制原则，采用结构力学位移法建立力学和数学计算模型，推导三跨混合连续梁桥中跨钢梁长度占比的合理取值范围，获得三跨混合连续梁桥的跨径布置及结合段合理位置（边中跨比与中跨钢梁长度占比）间的关系或可行域范围；陈君等[14]研究建立钢梁-混凝土梁组合的混合连续梁精细化有限元模型，分析钢梁-混凝土梁结合段在各种荷载工况下的局部应力分布规律及荷载在结合段内的传递路径。目前对对钢梁-混凝土梁结合段施工技术、受力性能、疲劳性能等的研究多集中于斜拉桥，大跨混合梁桥钢梁-混凝土梁结合段的相关研究较少，且仅局限于室内模型，缺少工程实体钢梁-混凝土梁结合段传力机理现场试验研究。

本文以韩庄运河特大桥为工程背景，采用理论分析的方式研究钢梁-混凝土梁结合段传力机理，并进行实体工程现场试验，建立精细化有限元计算模型，分析主梁钢梁-混凝土梁结合段应力分布与传递规律，以期为此类桥梁关键部位的设计与施工提供借鉴。

1 钢梁-混凝土梁结合段轴力传力机理理论

韩庄运河特大桥钢梁-混凝土梁结合段采用有格室后承压板式结构。钢梁-混凝土梁结合段构造参数包括承压板厚度、结合段长度、混凝土顶板厚度、混凝土底板厚度、纵向剪力键间距、PBL剪力键和栓钉数等，不同构造参数对钢梁-混凝土梁结合段处的传力分配比有较大影响。混凝土梁承担全部轴力，当轴力到达钢梁-混凝土梁结合段时，因混凝土梁和钢结构存在刚度差异，剪力键开始受力，且把力传递至钢结构上，承压板承担大部分轴力[15-16]。钢梁-混凝土梁结合段轴力传递如图1所示。

钢梁-混凝土梁结合段长L，以承压板处为水平坐标轴零点位置，x坐标轴水平向右。忽略钢梁-混凝土梁结合段内摩擦力与黏结力的影响，总轴力

F=Fcon（x）+Fst（x），

式中：Fcon（x）为混凝土梁过渡段水平方向轴力，x为水平坐标，Fst为钢梁-混凝土梁结合段水平方向轴力。

剪力键沿钢梁-混凝土梁结合段纵向均匀分布，剪力键剪力与钢结构和混凝土间的滑移量成正比，剪力键剪力

qx=kq∫x0Fconxkc－Fstxksdx，（1）

式中：kq为剪力键剪切刚度；kc为混凝土过渡段轴向压缩刚度，kc=AcEc，其中Ac为混凝土的截面面积，Ec为混凝土的弹性模量；ks为钢结构轴向压缩刚度，ks=AsEs，其中As为钢结构的截面面积，Es为钢结构的弹性模量。

q（x）随x累加，钢结构与剪力键剪力间的微分方程为：

Fstx=∫Lxqxdx。（2）

在结合段长L的钢板上，Fst=0；在x=0处，q（x）=0，根据式（1）（2）求得：

Fst（x）=Fρ0[1-cosh（krx）sech（Lkr）]，

q（x）=Fρ0krsech（Lkr）sinh（krx），（3）

式中：ρ0为结合段构造传力比；kr为剪力键与钢结构和混凝土结构的相对刚度，kr=[k（ks+kc）/kcks]1/2，其中k为剪力键换算线刚度，k=kq/d，d为剪力键剪切面长度。

根据式（3）可知，x=L时，结合段与混凝土接触端的剪力键内力最大，最大剪力键内力

qmax=Fρ0krtanh（Lkr）。

钢梁-混凝土梁结合段剪力键剪力等于所有纵向剪力键传力之和，在x=0，承压板与混凝土结合处，剪力键剪力总和qsum=Fstmax=Fρ0[1-sech（Lkr）]。

剪力键传力比

Rq=qsum/F=ρ0[1-sech（{L}kr）]，

式中{L}为以m为单位的L的数值。

Rq主要与ρ0、kr和L有关。Rq变化曲线如图2所示。由图2可知：ρ0和kr不变时，Rq随L的增大而增大，趋近于ρ0时，钢结构和混凝土结构协同变形，不再产生滑移，剪力键不再受力，Rq不再增大，Rq的最大值为ρ0。

2 实桥试验与测试方案

在实体工程现场试验，可更直观地反映钢梁-混凝土梁结合段的受力与传力特性。在钢梁-混凝土梁结合段的关键施工阶段，作用在结合段上的轴力从混凝土箱梁传递到钢箱梁时，纵向刚度突变，易产生应力集中[17-19]。截取纵桥向6个断面和后承压板横断面布置应力传感器，监测应力传递分布。在受力传递过程中，钢梁-混凝土梁结合段后承压板对传力起关键作用，通过应力监测布置研究承压板应力分布情况，同时实时监测承压板的工作状态。试验内容包括：对纵桥向钢梁-混凝土梁结合段断面进行测点布置，研究应力在纵桥向各断面处传力的分配比例，分析应力在纵桥向的传力规律；研究后承压板在受力过程中的应力分布情况。

2.1 工程简介

韩庄运河特大桥的主梁施工分为混凝土梁施工和钢梁-混凝土梁结合段施工，主桥混凝土梁边跨最大悬臂长63.5 m，分为17个梁段；中跨最大悬臂端长59.25 m，分为17个梁段，采用挂篮对称悬臂浇筑前17个梁段（第15#～17#梁段两侧悬臂浇筑质量不同，满足结构受力的最优选择）。钢梁-混凝土梁结合段长4.5 m，采用浮吊起吊和挂篮固定，形成安全、稳定的操作平台，方便钢梁-混凝土梁结合段混凝土浇筑和预应力张拉。钢箱梁长57.0 m，采用整体吊装，将工厂预制合龙钢箱梁通过运河通道运至桥位，由桥面吊机将合龙钢箱梁起吊，吊装就位后采用高强度螺栓永久固定，采用CO2气体保护焊焊接裂缝。重点分析现场试验钢梁-混凝土梁结合段的施工工况及钢箱梁安装完成后的施工工况。施工结构示意图如图3所示。

2.2 应变计布置

在钢梁-混凝土梁结合段处的混凝土过渡段间隔750 mm布置2个断面，横隔板后500 mm布置1个断面，断面上应变计的布置如图4所示。在钢梁-混凝土梁结合段吊装前测得顶板、腹板和底板沿桥长方向的应力分布，得到钢梁-混凝土梁结合段的应力集中程度及钢梁-混凝土梁结合段的传力效果。

采用有限元软件ABAQUES对承压板应力状态进行数值模拟分析，根据得到的承压板应力监测分布情况进行测点布置，以预应力锚固处的应力状态监测为重点。在承压板顶、底板侧预应力锚固端分别设置1个应力监测点，在中心线顶板、底板上、下分别布置应变测点，翼缘板布置1个应变测点。承压板应变计布置如图5所示。单个承压板布置9个应力监测传感器，全桥2个承压板共布置18个应力监测传感器。

监测纵桥向轴力由混凝土传递到钢梁-混凝土梁结合段的应力，全桥布置6个断面A～F进行对照监测，如图3所示，共布置36个应力监测传感器。钢梁-混凝土梁结合段浇筑前测试初始应力。

2.3 现场实测结果与有限元分析结果对比

浇筑及吊装阶段各断面顶板、底板纵向应力的现场实测结果与有限元分析结果对比如图6所示。

a）浇筑阶段顶板纵向应力 b）浇筑阶段底板纵向应力c）吊装阶段顶板纵向应力d）吊装阶段底板纵向应力

由图6可知：在浇筑阶段，钢梁-混凝土梁结合段钢箱梁段不受力，从断面C到断面A，应力在钢梁-混凝土梁结合段的纵桥向传递过程中，顶板、腹板、底板应力逐渐减小，结合段的顶板整体基本受拉，底板整体受压。通过吊机固定钢梁-混凝土梁结合段，实际受力较小，实测结果比有限元计算结果小，在腹板断面B出现的最大误差为2.9 MPa。应力的整体传力趋势与ABAQUS模型中的计算结果基本一致。

在吊装阶段，钢梁-混凝土梁结合段钢箱梁段在跨中钢箱梁的作用下所受应力更大，应力向混凝土梁段传递过程中，承压板吸收部分应力，从断面D传递到断面C的应力显著减少，传递到断面A时应力最小。纵向应力的传递趋势与ABAQUS有限元模型的计算结果及理论分析相同。为减小混凝土的收缩误差，保证现场实测结果的准确性，在吊装前、后各测1次应力，断面D的现场实测底板应力与有限元计算结果的误差稍大，为5.9 MPa。钢箱梁结构整体满足安全设计要求[20]，在钢箱梁的吊装施工阶段整桥施工控制良好。

3 钢梁-混凝土梁结合段有限元精细化模型及结果对比分析

3.1 钢梁-混凝土梁结合段精细化模型

计算分析韩庄运河特大桥钢梁-混凝土梁结合段应力分布情况。根据圣维南原理，加载端到钢梁-混凝土梁结合段的纵向距离应不小于模型的最小宽度和最小高度，避免加载端附近应力集中，减少对研究部位的影响。建立精细化模型需综合考虑尺寸效应、边界效应、荷载效应等因素，采用软件ABAQUES建立局部精细化模型，如图7所示。结合段全长21.1 m，其中混凝土梁段长2.0 m，混凝土连接段长5.5 m，钢梁-混凝土梁结合段长4.5 m，钢箱梁刚度过渡段长3.7 m，钢箱梁段长5.4 m。桥梁正常受力情况下，钢梁-混凝土梁结合段中贯穿钢筋、剪力钉与混凝土间的相对滑移较小。本模型不考虑黏结滑移的影响，剪力钉与钢梁共节点并采用内置区域约束耦合在混凝土内，贯穿钢筋与开孔间建立耦合约束，防止应力集中。

3.2 有限元计算结果与实测结果对比分析

将施工阶段划分为悬臂施工、边跨合龙、钢梁-混凝土梁结合段吊装及钢箱梁吊装4个阶段。张拉工况、成桥工况、全桥最大正弯矩和最大负弯矩工况下的承压板应力分布图如图8所示。

由图8可知：承压板在4个阶段下的应力分布趋势基本相同，均受到预应力的作用，在预应力筋锚固区域和靠近中纵板的位置、承压板底部边角位置应力较大，最大应力出现在预应力锚固处，越接近承压板中心和承压板边缘，应力越小；承压板的应力整体小于60.00 MPa，锚垫板可避免出现应力集中现象。承压板整体的应力水平不高，处于承压板的屈服变形安全范围内。

根据实际测量结果可知，承压板顶部的整体应力在吊装阶段较大，底部的应力在张拉阶段较大，成桥阶段对承压板上部产生较大应力，承压板与中腹板交接处应力较大，与有限元模型分析结果相同。

钢梁-混凝土梁结合段中的混凝土连接段在顶板、底板和腹板均设置PBL剪力板，PBL剪力板主要承担剪力。顶板、底板的PBL剪力键与钢箱梁连接段的T型加劲肋、腹板和中纵板连接，传递轴向力到PBL剪力板，在纵桥向的传力规律与腹板的传力规律一致。张拉工况、成桥工况、全桥最大正弯矩和最大负弯矩工况下PBL剪力板的纵桥向应力分布如图9所示。

由图9可知：PBL剪力板在张拉工况下的应力为-6.09～5.72 MPa，成桥工况下为-10.47～13.2 MPa，最大正弯矩工况下为-9.53～16.69 MPa，最大负弯矩工况下为-43.93～51.57 MPa；PBL剪力板的最大应力均出现在靠近承压板的位置，除个别地方应力集中外，整体剪应力较小。PBL剪力板承担剪应力和纵桥向应力，应力传递较理想，受力分布均匀，整体受力较小。在4个工况下PBL剪力板的应力水平均在屈服强度范围内，符合安全使用标准[20]。

为消除混凝土收缩误差，在吊装钢箱梁前、后各现场实测1次应力，消除误差影响后得到现场实测结果，与计算应力的传递整体趋势相似，钢箱梁段底板应力的现场实测结果略大，但整体结构满足安全储备要求[20]。说明在桥梁的吊装施工阶段控制良好，桥梁结构满足桥梁吊装阶段的安全设计。

4 结论

为研究大跨径混合梁钢梁-混凝土梁结合段传力性能和纵向应力传递路径，以韩庄运河特大桥为工程背景，通过实桥测试与数值模拟相结合的方式，分析主梁钢梁-混凝土梁结合段应力分布与传递规律。

1）剪力键传力比主要与构造传力比、剪力键的相对刚度和结合段长度3种构造参数有关。结合段构造传力比和剪力键的相对刚度参数不变时，剪力键的传力比随结合段长度的增大而增大，当趋近结合段构造传力比时，钢结构和混凝土结构协同变形，不再产生滑移，剪力键不再受力，剪力键传力比不再增大。

2）对现场不同施工阶段实测应力进行应力传递分析，结果表明应力在纵桥向的传递趋势较平顺，应力从承压板传递到混凝土梁，随距承压板的距离增大，应力逐渐减小，在混凝土梁段应力最小，与有限元模型的应力传递规律相似。

3）承压板的最大应力出现在预应力锚固处，越接近承压板中心和承压板边缘，应力越小。承压板顶部的整体应力在吊装阶段较大，底部的应力在张拉阶段较大，成桥阶段对承压板上部产生较大应力。在承压板与中腹板交接处应力较大，与有限元模型分析结果相同，在焊接施工中应保证焊接质量。

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Force transmission mechanism of the joint section of long-span

hybrid girder steel concrete beam based on in-situ bridge test

YU Xiangkun1， ZHAO Wei1， SHEN Gang1， WANG Xianxuan1，

WANG Baoqun2*， SONG Jun2， DONG Xu2

1.Rizhao Highway Construction Co.， Ltd.， Rizhao 276825， China；

2.School of Civil Engineering， Shandong Jiaotong University， Jinan 250357， China

Abstract：To study the force transmission performance and longitudinal bridge stress transfer path of the large-span hybrid steel-concrete beam joint section， the Hanzhuang Canal Bridge used as the engineering background， a combination of field bridge testing and numerical simulation is used to analyze the stress distribution and transmission law of the main beam steel-concrete beam joint section. The strain of the steel plates and concrete is monitored to obtain their stress distribution and transmission laws; the software ABAQUS is used to establish a refined finite element calculation model of the steel-concrete beam joint section， and the analysis results of the field bridge data are compared with the calculation model. The results show that during the process of stress transmission from the compressive plate to the concrete beam in the steel-concrete beam joint section， as the distance from the compressive plate increases， the stress gradually decreases， and the stress in the concrete beam section is minimal. The maximum stress on the compressive plate appears at the prestressed anchorage， with stress decreasing closer to the center and edge of the compressive plate. The overall stress at the top of the compressive plate is greater during the hoisting stage， while the stress at the bottom is greater during the tensioning stage， and the collected field data is consistent with the stress transmission law of the finite element model.

Keywords：long-span hybrid beam; the joint section of steel-concrete beam; stress transfer; pressure bearing plate; finite element analysis; in-situ bridge test

（责任编辑：王惠）

收稿日期：2023-04-04

基金项目：山东省自然科学基金面上项目（ZR2021ME134）

第一作者简介：于祥坤（1976—），男，山东日照人，高级工程师，主要研究方向为道路与桥梁工程施工技术及项目管理，E-mail：95704395@qq.com。

*通信作者简介：王保群（1968—），男，山东淄博人，二级教授，工学博士，主要研究方向为桥梁建设和隧道建设，E-mail：wbaoqun@163.com。

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2024.02.009